青岛大学王晓霞课题组Water Research：短水力停留时间的连续流短程反硝化生物膜模块的构建
Establishment of continuous flow partial denitrification biofilm module with short hydraulic retention time
第一作者：冯娟
通讯作者：赵骥，王晓霞
作者排名：冯娟，赵骥，向涵，由志鹏，石亮亮，于政达，邱艳玲，于德爽，王晓霞
论文DOI：
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122743
文章摘要
短程反硝化（PD）可以提供必需的亚硝酸盐，有望促进Anammox的实际应用。然而，与PD相关的研究主要涉及序批式反应器以及活性污泥。本研究提出在连续流浸没式生物膜中建立PD模块（PD-BfM）。得益于采用缺氧饥饿处理来快速实现PD，并及时将富集的功能菌转移到生物膜上，仅21天就完成了PD-BfM的启动。将水力停留时间调整为50 min，PD-BfM即使在进水COD/NO3--N比值为4的条件下，其硝酸盐到亚硝酸盐的转化率（NTR）也能达到75%以上，表现出极好的NO2-生成特效。同时，生物膜的优势属由Thauera转变为Flavobacterium和Comamonadaceae。底物浓度梯度也可能导致顶部和底部生物载体之间的微生物群落差异。
主要内容
1.P-SBR作为PD-BfM孵化器的坎坷命运
P-SBR在不长的时间内（55天）经历了“启动、稳定运行、培养生物膜、活性恢复”的坎坷命运，但其具有了PD特质，主要归功于“缺氧饥饿处理”方法、PD过程本身的鲁棒性、“降低COD/NO3--N比”这一有效手段、即快速富集的功能微生物。
PD的启动：试验用泥为冷藏2天的具有完全反硝化功能的活性污泥（NO3-→ N2），在第3-5天施加“饥饿处理”（NO3--N浓度为~30 mg/L）；
稳定运行：第5-13天，饥饿处理模式转变为正常模式（即同时供给COD与NO3--N），40 min实现了NO3--N的完全去除和NO2--N的高积累，30 min时的NTR达66.9%-42.6%；
投加载体培养生物膜：第14天添加空白填料，第20天时PD生物膜快速形成（NTR达60%以上）；
生物膜“收割”后的活性恢复：在第23-55天，P-SBR中的生物膜载体移除后，PD效果逐渐恶化。此后将COD/NO3--N比值从4.9±0.2降至3.8±0.2，NTR逐渐回高。
（A）COD、NO3--N和NO2--N浓度以及COD/NO3--N比值的变化：实心、空心符号分别表示进水、出水底物浓度；（B）ΔNO3--N、ΔNO2--N和NTR的变化。
2.PD-BfM反硝化亚硝酸盐积累
在第21天，PD-SBR中的载体生物膜转移到连续流PD-BfM，HRT由30 min延长至50 min, NTR最终保持在84.7%±5.9%。PD-BfM可以连续高效地生成NO2--N（NTR > 75%），且其工作体积小（1.5 L）和HRT短（50 min）的优势使其具有较高的处理能力（43.2 L/d）。
（A）进水和出水COD浓度；（B）进水和出水NO3--N浓度和HRT；（C）进水和出水NO2--N浓度；（D）NTR和COD/NO3--N比值：S1、S2和S3分别表示阶段1至3，出水浓度和NTR为平均值（n=3）。
3.微生物群落特征
短期饥饿处理（3天）对微生物群落结构的影响极其微小，但能快速诱导PD性状表现。载体填料投加有利于支撑丰富、复杂的微生物结构，其较P-SBR絮体污泥具有更高的Ace和Shannon指数。PD-BfM中底部、顶部生物膜的alpha多样性差异不明显。
（A）alpha多样性指数；（B）10个生物样本共有OUT数；（C）10个生物样本之间Bray-Curtis距离的主坐标分析（PCoA）；（D）门级分类组成；（E）属级分类组成。
生物膜载体顶部和底部（S3-55t和S3-55b）上的微生物群落与初始生物膜（S1_22）存在显著差异。P-SBR稳定运行阶段，Thauera大量富集促使反硝化亚硝酸盐积累。随着生物膜生长，样本S3_55t和S3_55b中Thauera丰度仅为3.56%和0.09%，Flavobacterium和Comamonadaceae占据优势，而P5_55活性污泥样本中其丰度则高达30.03%。Thauera仍处于生物膜共生网络的中心模块。
（A）基于PIRCUSt2预测的氮代谢途径；（B）Pre、SBR和BfM类别的共现网络；（C）节点和边的数量；（D）正相关和负相关的百分比；（E）三个网络的中心性程度。
（A）10个生物样本的群落加权平均数分布图；（B）BfM类3个生物样本中贫化和富集属（火山图）及其rrn拷贝数（柱状图）的比较。
主要结论：
1.PD-BfM可在21天内快速构建，这得益于“缺氧饥饿”快速实现PD，并及时将富集的功能细菌转移到生物膜上。
2.PD-BfM能够以高效率（NTR > 75%）和短HRT（50 min）持续供给NO2--N，展示了其在不进行较大改变的情况下可增强厌氧氨氧化的潜力，拓宽Anammox在常规废水处理中的适用性。
3.底物浓度梯度可能塑造了载体填料顶部、底部生物膜中微生物群落结构的差异，如Flavobacterium 和Comamonadacae逐渐取代了生物膜形成初期的优势属Thauera。
论文引用参考格式： J. Feng, J. Zhao, H. Xiang, Z. You, L. Shi, Z. Yu, Y. Qiu, D. Yu, X. Wang. Establishment of continuous flow partial denitrification biofilm module with short hydraulic retention time. Water Research,2025, 268, 122743. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122743.
